1、高电压技术 第五章 电气设备绝缘的高电压试验 5.1 交流高电压试验 5.2 直流高电压试验 5.3 冲击电压试验 5.4 稳态高电压的测量 5.5 冲击电压的测量 5.6 光电与数字化测量技术 5.1 交流高电压试验交流高电压试验 交流绝缘试验应采用频率为45Hz65Hz的交流电压。交流电压的特性特性主要以峰值、有效值、波形畸变率、波顶系数等来表示，试验时电压波形的畸变应尽可能小。交流高压的产生通常采用工频试验变压器，但对于一些特殊试品，如变压器的感应试验，采用频率不超过500Hz交流电压；对于大容量高电压设备的试验，采用串联谐振方法产生的30Hz300Hz交流电压；固体绝缘的加速老化试验则
2、采用几kHz的高频交流电压等等。?工频电压的产生工频电压的产生 1.工频高压试验对试验设备的要求工频高压试验对试验设备的要求 T.O.Q B T R1 R2 工频高压试验的一般线路图 调压器 试验变压器 保护电阻（保护球隙）保护电阻（限流限压）球间隙 被试品 高电压技术 工频试验变压器的特点：工频试验变压器的特点：（1）电压 由于工频高压试验通常用于代替雷电过电压或者内部过电压来考核电气产品绝缘性能，或进行绝缘击穿试验，因此试验变压器电压很高；（2）调压与波形 电压波形应该是正负半波对称的正弦波形，频率在4555Hz范围内，电压的有效值等于幅值除以波顶系数。对于调压装置，应能够按所要求的速度连
3、续、平稳地调节电压。（3）容量 在大部分高压试验里，试验变压器的连续工作时间不长，而在额定电压下满载运行的时间更少，这比长期处于满载下工作的电力变压器的运行情况要好得多。试验变压器的容量不大，所以设计时采用较小的安全系数，在额定电压下只能作短时运行，对特高压的试验变压器，只有在2/3的额定电压下才能长期运行。高电压技术 2.串级试验变压器串级试验变压器 2U2 U2 T3 2 1 3 2 1 T2 3 2 1 T1 3U2 输出的额定电流：输出的额定电流：I2（A）每一级变压器高压侧绕组的额定电压：U2（kV）装置装置输出的额定电压额定电压：3U2 350%6TWWWW?额定输出容量装置总容量
4、高电压技术 3.调压装置调压装置（1）对调压装置的要求 a）输出电压质量好 要求调压器输出电压波形应尽量接近正弦波；输出电压下限最好为零。b）调压特性好 要求调压器阻抗不宜过大；调压特性曲线平滑线性；调节方便、可靠。（2）常用的调压装置 a）自耦式调压装置；b）移圈式调压器；c）感应调压器 高电压技术 移圈式调压器原理图移圈式调压器原理图 高电压技术?串联谐振交流高压的产生串联谐振交流高压的产生 C R L ICU1U串联谐振装置的等效电路 1LC?谐振条件：ssLcQUURLICUU?1CRRLQ?1或?串联谐振方法的优点：串联谐振方法的优点：1）试验回路对基波频率产生谐振，因而波形的畸变小
5、；2）被试品发生击穿时谐振条件被破坏，串联电抗器限制短路电流，故绝缘击穿处的电弧不会将故障点扩大。高电压技术 调频调 压电源 50Hz 电源 反馈控制信号 激励变压器 电抗器 分压器 被 试 品 变频串联谐振装置的原理框图 交流两相或三相工频电源，经变频控制单元输出30300 Hz频率可调的交流电压，励磁变压器升压，谐振电抗器L和被试品Cx构成高压谐振电路来产生交流高压。电容分压器是纯电容式的，用来测量试验电压。系统的频率取决于回路的L-C参数。当负载电容Cx的变化范围很大时，可以根据Cx的大小，适当调整电抗器的电感L值，使谐振频率固定在规定要求范围内。高电压技术?交流高压试验交流高压试验 1
6、）防止工频高压试验中可能出现的过电压 原因：“容升”效应、对初级绕组突然加压、当输出电压较高时突然切断电源等；防止措施：在变压器出线端与被试品之间串接一适当阻值的保护电阻（按0.1?/V选取阻值）2）试验电压的波形畸变 原因：变压器或调压装置的铁芯工作在在磁化曲线的饱和段，或当变压器和调压器存在漏抗；措施：措施：在试验变压器原边绕组并联一个L-C串联谐振回路。u1?C L C?L?T u1 高电压技术 3）外施电压试验和感应高压试验 对于带绕组的被试品，用外施电压对其主绝缘作工频高压试验时，首先应将各绕组的首尾短接，然后，根据不同要求做其它接线，这样能防止电容电流流过励磁感抗造成不允许的电压升
7、高。有些电气设备绕组绝缘是分级的，绕组的各不同部位应该耐受和能够耐受的试验电压当然也就不同。另外，外施电压法对绕组的纵绝缘和相间绝缘也难于进行试验。解决这个问题的办法就是感应高压试验，即在其低压绕组上加足够高的电压，使中压绕组、高压绕组感应出所需的试验电压来。高电压技术 5.2 直流高电压试验直流高电压试验（1）直流高压试验设备 1）测量泄漏电流；2）直流耐压试验（一些大容量的交流设备，如油纸绝缘电力电缆，也常用来代替交流耐压试验；高压直流输电设备耐压试验）；3）冲击电压发生器和冲击电流发生器等的直流高压电源。（2）对直流电源的要求 直流电压的特性由极性、平均值、脉动等来表示。高压试验的直流电
8、源在提供负载电流时，脉动电压要非常小，即直流电源必须具有一定的负载能力。高电压技术?直流高电压的产生直流高电压的产生 1.半波整流回路和直流高压设备的基本参数半波整流回路和直流高压设备的基本参数 T-工频室验变压器 C-滤波电容器 D-整流元件(高压硅堆)R-保护电阻 Umax、Umin、Ud-试品输出直流电压的最大值、最小值、算术平方值 T D R C Rx u t T Umin Umax UT 半波整流电路及输出电压波形图（1）半波整流回路 2TsmURI?高电压技术（2）直流高压试验设备的基本技术参数 dUuS?maxmin2UUu?maxmin2dUUU?1）输出的额定直流电压（算术平
9、均值）Ud 2）相应的额定直流电流（平均值）Id 3）电压脉动系数（亦称纹波系数）S 对于半波对于半波 整流电路整流电路 22ddI TIuCfC?xdddfCRfCUIUuS212?高电压技术 2.倍压整流回路倍压整流回路 C C T 1D2DTUA?A倍压电路 1 2 3 0 C1 1D2D常用倍压电路 C2 此电路可看作两个半波电路的叠加，因而它的参数计算可参照半波电路的计算原则进行。变压器A点对地绝缘为2UT，而点A为UT。输出电压为2UT。2 2TU2TU工作原理：1）当电源为负时，硅堆D1截止，D2导通，电源经D2、R对电容C1充电，C1最高充电电压可达UTm；2）当电源电压升高时
10、，1点电位也抬高，D2截止，D1导通，电源经C1向C2充电，2点电位逐渐升高。2 2TU0 2 2TU高电压技术 3.串级直流发生器 D1 C1 C1 Q2 Q2+Q1 Q2+2Q1 Q2+(n-1)Q1 Q1 2Q1 nQ1 Q2+(n-2)Q1 Rx Id D1 Dn Dn Cn Cn 串级直流高压发生器原理图 (1)4dn nIufC?脉动幅值：322(432)6ddmIUnUnnnfC?输出电压平均值：32(432)6daIUnnnfC?电压降落：(1)4dddn nIuSUfCU?脉动系数：减小电压脉动系数的方法：1）减小串接级数；2）增加每级电容器的电容量；3）提高电源频率。高电压
11、技术?直流高电压的试验直流高电压的试验 （1）直流高压试验要根据不同试品、不同的试验要求选择合适的电源容量。一般情况下，直流高压试验所需的试验电流通常在几mA到几十mA，但是某些试品在击穿前瞬时泄漏电流还是很大，将达到安培级。这样大的泄漏电流将使设备内部产生很大压降而使试验结果不正确。（2）保护电路 当试品放电，或者发生器输出端可能发生对地短路时，为了限制电容器柱的放电电流和流经高压硅的电流，需在试品与高压输出端之间串接一保护电阻。1.直流高电压试验注意事项直流高电压试验注意事项 高电压技术(1)试验设备的容量较小。特别是采用电力电子变换的高频电源后，整套直流耐压试验装置的体积、重量大大减小，
12、便于现场进行试验；(2)在试验时可以同时测量泄漏电流，能有效地显示绝缘内部的集中性缺陷或受潮，提供有关绝缘状态的补充信息；(3)在某种程度上带有非破坏性试验的性质，在直流高压下，局部放电较弱，不会加快有机绝缘材料分解或老化；(4)对交流电气设备绝缘的考验不如交流试验那样接近实际情况。对于绝大多数组合绝缘来说，它们在直流电压下的电气强度远高于交流电压下的电气强度，因而交流电气设备的直流耐压试验必须提高试验电压，才能具有等效性。2.直流高电压试验的特点直流高电压试验的特点 高电压技术 5.3 冲击电压试验冲击电压试验 冲击电压：（雷电冲击电压、操作冲击电压）持续短、电压上升速度快，缓慢下降的暂态电
13、压。由波头时间、波尾时间、峰值和极性来表示。P O O Tf C F Tt t U x y z 标准雷电冲击的定义：xfTT67.1?Tx为30%90%峰值间所测得的时间。标准雷电冲击电压：?1.2/50?s 标准操作冲击电压：?250/2500?s 高电压技术?冲击电压发生器与参数计算冲击电压发生器与参数计算 1.冲击电压产生的基本原理冲击电压产生的基本原理 _+Rf Rt C2 C1 U0 u2(t)Rd _+Rf Rt C2 C1 u2(t)U0 L Rf _+Rt C2 C1 U0 u2(t)(a)典型等效电路 (b)考虑回路电感的等效电路 (c)高效回路的等效 原理：原理：（1）充电
14、过程：C1向C2充电，建立电压，形成波头；（2）放电过程：当C1、C2上的电压相等时，并联对Rt放电，形成波尾。主电容 试品等电容 波头电阻 波尾电阻 高电压技术 R R R R 多级冲击电压发生器 Rf Rt AT T （1）充电过程：由试验变压器T和高压硅堆D构成的整流电源，以峰值电压经保护电阻及充电电阻向主电容充电。（2）放电过程：当需要启动冲击电压发生器时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球表面之间产生火花放电，引起点火球隙放电，各球隙相继放电，将电容器串联起来，对试品放电。“电容器并联充电，串联放电”，这一过程由一组球隙来完成。高电压技术 R R R r D C C C C
15、T 冲击电压发生器的单边充电回路 R R R r D D R R R R C C C C C C C C T 冲击电压发生器的双边充电回路 高电压技术 2.冲击电压发生器放电回路的近似计算冲击电压发生器放电回路的近似计算 2/22max(1)tuue?7ln212?tt2121)(24.3CCCCRRTfdf?21212)(CCCCRRfd?12/2max2max0.3(1)tUUe?22/0.7te?122max0.3tuu?时22/2max2max0.9(1)tUUe?222max0.9tuu?时22/0.1te?6.0112?ttTf（1）波前时间的确定 P O O Tf C F Tt
16、t x y z 高电压技术 1/2max2max12tTUue?（2）半峰值时间的确定 1/22maxtuue?112()tCCR?)(69.02ln211CCRRTdtt?2max1UU?（3）冲击电压发生器的效率 112tdtRCRR CC?对于低效回路：112CCC?对于高效回路：高电压技术?截断波的产生方法截断波的产生方法 变压器类设备应作雷电冲击截断波试验，以模拟绝缘变压器类设备应作雷电冲击截断波试验，以模拟绝缘子闪络或避雷器动作时所形成的截断波。产生子闪络或避雷器动作时所形成的截断波。产生截断波的原截断波的原理：将一截断间隙与被试品并联，调节间隙距离使之具有所需的击穿电压；冲击电压
17、发生器送出一全波，由于截断所需的击穿电压；冲击电压发生器送出一全波，由于截断间隙的击穿，作用在被试品上的电压就是截断波。间隙的击穿，作用在被试品上的电压就是截断波。目前多采用可控截断电路来控目前多采用可控截断电路来控制截断时间，截断间隙采用针孔球制截断时间，截断间隙采用针孔球隙。触发脉冲导致间隙隙。触发脉冲导致间隙G1放电后，放电后，间隙间隙G2上将承受全部电压，同时，上将承受全部电压，同时，R3上电流流过形成压降，上电流流过形成压降，S2处出处出现触发火花，导致现触发火花，导致G2放电，形成放电，形成截断。高电压技术?操作冲击电压的获得操作冲击电压的获得 （1）利用冲击电压发生器产生操作波
18、调节冲击电压发生器的波头、波尾电阻，可改变波头波尾时间，就可以得到标准所规定的操作冲击电压。（2）利用电容器对变压器原绕组放电产生操作波 一组电容由直流充电至一定值，然后通过球隙G的击穿，使向试验变压器的原绕组（低压侧）放电，在变压器的副绕组（高压侧）便会因电磁感应基本上按变比产生高电压的操作波形。IEC推荐的利用工频试验变压器产生操作冲击 高电压技术?陡波前冲击电压的获得陡波前冲击电压的获得 利用冲击电压发生器对电容器C1充电，然后电容器C1上的电荷通过间隙G2放电，可获得陡波前冲击电压es。电压的波头时间决定于C1-G2-R2回路尺寸以及放电间隙G3的火花形成时间。将回路封入高气压SF6气
19、体中，可减小回路尺寸，且可提高G2的放电电压，从而获得幅值为102103kV、波头时间为0.020.1?s的陡波前冲击电压。陡波冲击电压发生器 高电压技术 5.4 稳态高电压的测量稳态高电压的测量 高压测量系统：转换装置、至试品间的引线、接地连线、低压测量回路、测量仪表等 对测量结果的要求：（1）交流电压的测量，要求蜂值或有效值时的总不确定度在?3之内；（2）直流电压的测量，要求电压算术平均值时的总不确定度不超过?3%，直流电压的纹波幅值总不确定度不超过?10%，或脉动系数测量的不确定度应小于?1%。稳态高电压：工频交流高压、直流高压 高电压技术 利用气体放电测量交流高电压，例如测量球隙。利用
20、静电力测量高电压，例如静电电压表。利用整流电容电流或充电电压来测量高电压，例如峰值电压表。利用分压器测量高电压，如电容分压器和电阻分压器。实验室中测量稳态高压常用的方法：实验室中测量稳态高压常用的方法：高电压技术?气体放电间隙气体放电间隙 1.球间隙 垂直型标准测量球隙 （1）间隙距离不超过球径的1/2，可保证测量的不确定度在?3%以内。用球隙测量工频电压时，应取连续三次击穿电压的平均值，相邻两次间隔时间不小于1min，击穿电压与平均值之间的偏差不大于3%。（2）当球隙距离不大于0.4D时，其测量不确定度在?5%以内。（3）球间隙测量电压时，必须进行大气条件的修正。（4）测量时必须放电，容易引
21、起过电压而造成被试品不必要的损伤。（5）测量时较费时间，所需的空间越大。高电压技术 2.棒间隙 用球间隙测量直流电压时，会出现较大的分散性，因此，IEC规定中，推荐使用左图的棒间隙。标准棒间隙测量直流电压时，其测量不准确度在3%以内，测量方法与球间隙一样。sVk V?非标况：)11(014.01?hk 棒间隙直接测量直流电压时也非常费时，一般用于求取直流高压输出值与直流发生器低压侧的仪表读数间的比例关系。dVs534.02?标况下，正、负极性的直流电压下，棒间隙10次放电电压的平均值为：高电压技术 S f l?静电电压表静电电压表 原理：原理：分别带正、负电荷的导体间存在着静电吸引力，吸引力的
22、大小与两导体间的电位差的平方成正比，测量此静电力的大小或是由静电力产生的某一极板的位移（或偏转）从而反映所加电压大小。20221lSufr?220020202)(12)(1UlAdttuTlAdttfTFrTTr?SFlUr?41052.4?高电压技术?利用高压电容器的测量方法利用高压电容器的测量方法 1.电容器电流整流法测量交流峰值电容器电流整流法测量交流峰值 12ciVfC?半波整流：14ciVfC?全波整流：电容器电流整流法 fCIVe?2?与耦合电容器类似，利用静电容量大的电容器，可用交流电流计直接测量充电电流的有效值（I），电压有效值为：由于高频谐波电流的容抗比基波电流的要小，如果所
23、测电压存在波形畸变，这种方法很容易带来较大的测量不确定度。高电压技术 2.电容器充电电压法测量交流峰值电容器充电电压法测量交流峰值 Id R C D V?A 电容器充电电压法 被测交流电压经整流管D使电容充电至交流电压的幅值，电容电压由静电电压表或微安表串联电阻来测量。12dmUUTRC?如果静电电压表或微安表串联电阻测得的电压为Ud，则电压峰值：高电压技术 3.直流脉动电压的测量直流脉动电压的测量 直流脉动的测量 利用高压电容与电阻串联来测量直流电压的脉动。若直流高压含有脉动电压分量Vr，当脉动电压的频率为f，则电阻R两端的电压为：?fCRjVfCRjVr?212?也可以采用电容器电流整流法
24、来测量直流电压脉动的幅值，其测量方法与交流峰值测量的方法相同。高电压技术?高压分压器高压分压器 1.高阻分压器和串有高阻的电流表高阻分压器和串有高阻的电流表 U2 U1 Z1 Z2 高阻分压器 I2 U1 Z1 Z2 A P 高阻与电流表串联 被测电压越高，分压器本体电阻值越大，对地杂散电容越大，误差也很大。因此电阻分压器只适用于被测电压低于100kV的情况。为防止仪表超量程，并联保护的放电间隙或放电管P；为了防止在控制台出现高电压，微安表应并联电阻。电阻的温度系数应尽可能小。高阻值电阻可侵入绝缘油中以增强散热，同时可以防止电晕放电和绝缘泄漏。高电压技术 2.电容分压器电容分压器 C2 C1
25、U1 U2 交流电容分压器 121221()CCuuKuC?分压器 高压臂 分压器 低压臂 分压器的分压比是常数，即不应随被测电压的波形、频率、幅值、周围大气条件、安装地点的变化而改变。此外，分压器的接入应不影响电压波形和幅值。（1）分布式电容分压器，它的高压臂有多个电容器元件串联组装而成，要求每个元件尽可能为纯电容，介质损耗和电感尽可能小。（2）集中式电容分压器，它的高压臂使用一个气体介质的高压标准电容器。对于电容分压器低压臂电容C2，要求电容量较大而承受的电压较低，因此应采用高稳定度、低损耗、低电感量的云母、聚苯乙烯等介质的电容器。电容量根据分压比和低压仪表的量程确定。高电压技术 5.5
26、冲击电压的测量冲击电压的测量 冲击电压的测定包括：冲击电压的测定包括：幅值测量和波形记录 标准规定：标准规定：对于标准全波、波尾截断波以及1/5?s短波，幅值的测量不确定度不超过3%，1?s以内波头截断波，其幅值的测量误差不超过5%，波头及波长时间的测量不确定度不超过10%。目前最常用的冲击电压的测量方法目前最常用的冲击电压的测量方法：a.测量球隙；b.分压器-示波器。高电压工程基础 3.2 雷电冲击电压下的击穿雷电冲击电压下的击穿?冲击电压的标准波形 标准雷电波的波形：T1=1.2s30，T2=50s20 对于不同极性：+1.2/50s或-1.2/50s 操作冲击波操作冲击波的波形：T1=2
27、50s20，T2=2500s60 对于不同极性：+250/2500s或-250/2500s 波前时间 半峰值时间 高电压工程基础?放电时延放电时延 临界 击穿电压 统计时延：从外施电压达Uo时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子所需时间 放电形成时延：从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间 高电压工程基础?50击穿电压及冲击系数击穿电压及冲击系数 1.50击穿电压 多次施加电压时有半数会 导致击穿的电压值Ub50。0503bbUU?2.冲击系数 同一间隙的50冲击击穿 电压与稳态击穿电压Uss之比。高电压工程基础?伏秒特
28、性伏秒特性 伏秒特性：在同一冲击电压波形下，击穿电压值与放电时延（或电压作用时间）有关的特性。用实验确定间隙伏秒特性的方法：保持冲击电压的波形不变，逐渐升高电压使间隙发生击穿，并根据示波图记录击穿电压U与击穿时间t。击穿发生在波前或峰值，取此刻值 击穿发生在波尾，取峰值 未击穿 100%伏秒特性 0%伏秒特性 50%伏秒特性 50%冲击击穿电压 高电压工程基础 电气设备绝缘的伏秒特性和避雷器的伏秒特性 （a）正确配合 （b）不正确配合 绝缘的绝缘的 伏秒特性 避雷器的 伏秒特性 高电压技术 1.球间隙测量冲击电压的幅值球间隙测量冲击电压的幅值 在利用球隙测量冲击电压时的注意问题：a.在球隙距离
29、太小（放电电压50kV以下），或者球隙直径太小（小于12.5cm）时，为减小分散性，应对球隙进行照射。b.利用球隙测量冲击电压时，如在球隙前串联电阻，球隙击穿瞬间很大，串联电阻后会在其上造成很大的压降，使测量出现较大的不确定度。但为避免球隙击穿时所造成的振荡对被试品的损伤，需要加入串联保护电阻（无感电阻，其值应不大于500?）。高电压技术（1）多级法 以预期的50%放电电压的23%作为电压级差，对被试品分级施加冲击电压，每级施加电压10次，至少要加4级电压。求出每级电压下的放电次数和施加次数之比后，将其按电压值标于正态概率纸上，给出拟合直线，在此直线上对应于P=0.5的电压值即为50%放电电压
30、。（2）升降法 估计50%放电电压的预期值，取的23%为电压增量，凡上次加压如已引起放电，则下次加压比上次电压低；凡上次加压未引起放电，则下次加压比上次电压高。这样反复加压2040次，分别计算出各级电压下下的加压次数，按下式求出50%放电电压 确定确定50%放电电压的方法：放电电压的方法：高电压技术 2.冲击电压分压器冲击电压分压器 C1 C2 R1 R2 u1 u2 C1 C2 R1 R2 u1 u2 u1 u2 R1 R2 u1 u2 C1 C2（a）电阻分压器 (b)电容分压器 (c)阻尼分压器 (d)阻容并联分压器 高电压技术 测量系统的特性由分压比分压比和响应响应来表示。（1）分压比：）分压比：分压器输入端所加电压的峰值除以测量系统输出端出现的电压峰值。（2）响应：）响应：分压器的输入端施加某一波形电压A(t)，与之相对应，在测量系统的输出端会出现电压U(t)，U(t)即为对A(t)的响应。通常采用A(t)为直角波时的响应来反映分压器的特性。高电压技术 响应的好坏常用响应时间来定量表示。若在分压器高压侧施加一单位阶跃波，分压器低压侧输出的波形可能有两种类型，指数型和振荡型。1 0 u t 1 0 u t(a)阻尼型 (b)振荡型 方波响应时间?0)(1dttuT
